热力学第一定律_习题课0912ppt课件

热力学第一定律主要讨论封闭的热力学系统在状态变化时热力学能 热和功之间相互转化所遵循的规律 介绍了热力学的基本概念 如系统 状态 状态函数 过程 可逆过程等 通过系统在状态一定和状态变化时所涉及的能量因素 得出了热力学第一定律的文字表述和数学表达式 讨论了不同过程中热和功的计算方法 介绍了热力学第一定律对理想气体和实际气体的具体应用 一 基本思路 热力学第一定律小结 注意 热和功是封闭系统在状态变化时与环境传递能量的两种方式 都与过程有关 故称过程量 热力学能是状态函数 是系统内部所具有的能量 热和功与热力学能虽然性质不同 但它们均是不同的能量形式 通过热力学第一定律 U Q W 将封闭系统变化过程中热 功和热力学能改变联系了起来 焓是由系统的热力学能 体积和压力组合得到的一个状态函数 在一定条件下 系统的焓变与过程的热相联系 焓及其有关公式可以看成是热力学第一定律的扩展 通过盖 吕萨克一焦耳实验 说明理想气体的热力学能和焓只是温度的函数 通过焦耳一汤姆逊实验讨论了第一定律对实际气体的应用 定义了焦耳一汤姆逊系数 热化学是第一定律对于化学反应系统的应用 据此可以计算反应的热效应 通常利用热化学数据及赫斯定律可直接求得298 15K下反应的热效应 应用基尔霍夫定律可计算不同温度下反应的热效应 二 重要公式 1 U和 H的计算 1 简单状态变化过程 a 理想气体 对封闭系统的任何过程 b 实际气体 范德华气体等温过程 2 相变过程 等温等压可逆相变过程 对不可逆相变过程 可以设计一可逆相变过程计算 U和 H 3 无其它功的化学变化过程 等温等压凝聚相反应 绝热等容反应 绝热等压反应 等温等压反应 等温等压理想气体反应 2 体积功W的计算 等温等压1 g相变过程 设蒸气为理想气体 理想气体绝热过程 等温等压化学变化 理想气体多方可逆过程 3 Q的计算 1 简单状态变化过程 2 等温等压相变过程 框架图 例3从同一始态A出发 经历三种不同途径到达不同的终态 经等温可逆过程从A B 经绝热可逆过程从A C 经绝热不可逆过程从A D 试问 a 若使终态的体积相同 D点应位于BC虚线的什么位置 为什么 b 若使终态的压力相同 D点应位于BC虚线的什么位置 为什么 参见图 解 可知绝热可逆膨胀的功大于不可逆过程 绝热过程中 W CV T1 T2 由于是膨胀过程 所以W WIR 所以T2IR T2R 又根据理想气体状态方程pV nRT 当V2相同时p2IR p2R 当p2相同时 V2IR V2R 绝热膨胀在实际过程中是一个降温过程 与等温可逆相比 T2IRp2IR 当p2相同时 V2等 V2IR 22 在298K时 有一定量的单原子理想气体 CV m 1 5R 从始态20 101 325kPa及20dm3经下列不同过程 膨胀到终态压力为101 325kPa 求各过程的 U H Q及W 1 等温可逆膨胀 2 绝热可逆膨胀 3 以 1 3的多方程可逆膨胀 试在p V图上画出三种膨胀功的示意图 并比较三种功的大小 解 1 等温可逆过程 则 U 0 H 0 2 绝热可逆过程 Q 0 3 多方可逆过程 联立上两式得 上述三种不同过程的膨胀功示于图始态p1 20 p p 101325Pa V1 0 02m3终态p2 p 1 等温可逆过程 2 绝热可逆过程 3 多方可逆过程 曲线下的面积就是功值 由此见功的大小次序与计算值相同 W 1 W 3 W 2 典型例题 2 始态同上 当外界压力恒为50kPa时 将水定温蒸发 然后将此1mol 373K 50kPa的水蒸气恒温可逆加压变为终态 373K 101325Pa 的水蒸气 求此过程总的Q W U和 H 3 如果将1mol水 373K 101325Pa 突然移到恒温373K的真空箱中 水蒸气充满整个真空箱 测其压力为101325Pa 求过程的Q W U和 H 比较这三种结果 说明什么问题 解 1 过程为可逆相变化Qp H 1mol 40 67kJ mol 1 40 67kJW p Vg Vl pVg nRT 1mol 8 314J mol 1 K 1 373K 3 102kJ U Q W 40 67 3 102 kJ 37 57kJ 2 实际过程为不可逆相变 设计可逆过程如下 始态 终态与过程 1 相同 故状态函数变化也相同 即 H 40 67kJ U 37 57kJ W1 pe Vg Vl peVg nRT 1mol 8 314J mol 1 K 1 373K 3 102kJW2 nRTln p2 p1 1mol 8 314J mol 1 K 1 373 15K ln 50kPa 101 325kPa 2 191kJW W1 W2 3 102 2 191 kJ 0 911kJ Q U W 37 57 0 911 kJ 36 66kJ 3 U和 H值同 1 这是因为 3 的始终态与 1 的始终态相同 所以状态函数的变化值亦同 该过程实际为向真空蒸发 故W 0 Q U 讨论 比较 1 2 3 的计算结果 表明三种变化过程的 U及 H均相同 因为U H是状态函数 其改变与过程无关 只决定于系统的始 终态 而三种过程的Q及W其值均不同 因为它们不是系统的状态函数 是与过程有关的量 三种变化始态 终态相同 但所